TEMA 6 - Potencial de Membrana PDF

FISIOLOGÍA interior-exterior Tema 6 POTENCIAL DE MEMBRANA  TEMA 6: POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO Contenido 1. Conceptos previos. Corriente y conductancia 2. Definición de potencial de membrana en reposo 3. Potencial de equilibrio...

FISIOLOGÍA interior-exterior Tema 6 POTENCIAL DE MEMBRANA  TEMA 6: POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO Contenido 1. Conceptos previos. Corriente y conductancia 2. Definición de potencial de membrana en reposo 3. Potencial de equilibrio - Ecuación de Nernst 4. Potencial de membrana en reposo en la neurona - Ecuación de Goldman, Hodgkin y Katz 5. Papel de la bomba Na+-K+ ATPasa 2 Internal use ¿Qué problemas ocasiona el consumo excesivo de ouabaina o digoxina sobre las células excitables?  TEMA 6: POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO Contenido 1. Conceptos previos. Corriente y conductancia 2. Definición de potencial de membrana en reposo 3. Potencial de equilibrio - Ecuación de Nernst 4. Potencial de membrana en reposo en la neurona - Ecuación de Goldman, Hodgkin y Katz 5. Papel de la bomba Na+-K+ ATPasa 4 Internal use  TEMA 6: POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO Conceptos previos ✓ Existencia de canales iónicos (proteínas de membrana): El flujo de corriente hacia el exterior o el interior celular se controla por los canales iónicos que están insertados en la membrana celular. ✓ Movimiento iónico: gradiente electroquímico Los iones se mueven a favor de su gradiente de concentración y de su gradiente eléctrico. 5 Internal use  TEMA 6: POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO Conceptos previos ✓ Tipos de canales iónicos: Existen dos tipos de canales en las membranas celulares… ▪ Canales pasivos (poros, no activables o de fuga): están predominantemente abiertos, responsables del mantenimiento del potencial de membrana en reposo 6 Internal use  TEMA 6: POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO Conceptos previos ✓ Tipos de canales iónicos: Existen dos tipos de canales en las membranas celulares… ▪ Canales activables: modulación de apertura/cierre en respuesta a señales. Dicha regulación se regula por: Cambios en el potencial de membrana Unión a ligandos (neurotransmisores) Estímulos físicos: tacto, presión, temperatura… … 8 Internal use  TEMA 6: POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO Conceptos previos ✓ Canales iónicos A través de un único canal iónico pueden llegar a pasar hasta 100.000 iones por segundo. La velocidad del movimiento iónico a través de un canal es 1000 veces mayor que la velocidad máxima de transporte asociada con cualquier proteína transportadora. Esto está relacionado con la rapidez de transmisión de las señales eléctricas. Este flujo iónico proporciona una corriente, que es la que cambia el valor de potencial de membrana en reposo de las células excitables. Se puede medir la corriente que atraviesa un único canal. 9 Internal use  TEMA 6: POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO Conceptos previos La amplitud de la corriente que atraviesa un canal único puede obtenerse a partir de la Ley de Ohm, dónde: V=I*R ✓ I= corriente que atraviesa un único canal ✓ V= voltaje a través del canal ✓ R= resistencia del canal abierto Voltaje: la energía que se requiere para mover un electrón de un punto a otro. La unidad del voltaje es el voltio. Corriente eléctrica: flujo o cantidad de electrones que circulan por un conductor por unidad de tiempo. La intensidad de corriente se mide en amperios. 8 Internal use  TEMA 6: POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO Conceptos previos Cuando se habla de canales iónicos, y no de circuitos eléctricos, es más útil hablar de conductancia (). Unidad de conductancia: siemens. =1/R; R=1/  I=*V La conductancia nos da una medida de la permeabilidad iónica. La CONDUCTANCIA se puede entender como la habilidad que tienen los iones para moverse a través del canal. Es opuesta a la resistencia. 11 Internal use  TEMA 6: POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO Conceptos previos ✓ Movimiento iónico: gradiente electroquímico ▪ El gradiente electroquímico se utiliza para cuantificar la fuerza que actúa sobre una molécula (ion) para que esta difunda a través de la membrana. ▪ El gradiente electroquímico tiene dos componentes: un componente representa la energía debida al gradiente de concentración (químico) establecido para una sustancia X a través de la membrana; el segundo componente representa la energía asociada con el movimiento de carga (eléctrico) a través de la membrana. Aquellas sustancias no cargadas, solo se moverán según su gradiente de concentración. ▪ Por convenio una corriente generada por el movimiento de cationes hacia el interior de la célula o por el movimiento de aniones hacia el exterior de la misma se denomina corriente negativa o de entrada o “inward”. El movimiento de cationes fuera de la célula o de aniones dentro de la células se denomina corriente positiva o de salida o “outward” Origen del potencial de membrana en reposo 12 Internal use  TEMA 6: POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO Contenido 1. Conceptos previos. Corriente y conductancia 2. Definición de potencial de membrana en reposo 3. Potencial de equilibrio - Ecuación de Nernst 4. Potencial de membrana en reposo en la neurona - Ecuación de Goldman, Hodgkin y Katz 5. Papel de la bomba Na+-K+ ATPasa 1 Internal use 4  TEMA 6: POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO Definición de potencial de membrana en reposo La membrana celular separa las diferentes cargas entre el interior y el exterior de la célula. Esta separación de cargas opuestas genera una diferencia de voltaje denominada potencial de membrana en reposo. Existe un DESEQUILIBRIO ELÉCTRICO entre LEC y LIC por una DISTRIBUCIÓN DESIGUAL de CARGAS. 16 Internal use  TEMA 6: POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO Creación de un potencial de membrana y equilibrio electroquímico 17 Internal use  TEMA 6: POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO Definición de potencial de membrana en reposo El potencial de membrana se puede medir introduciendo electrodos en nuestras células. Su valor en células excitables es de -50mV, -70mV, -90mV… 18 Internal use TEMA 6: POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO Definición de potencial de membrana en reposo En la mayoría de las neuronas en reposo, la diferencia de potencial entre los dos lados de la membran es de en torno a 70mV, con el interior de la célula más negativo que el exterior. Es decir, las neuronas tienen un potencial de membrana en reposo (o simplemente potencial de reposo) de en torno a -70mV.  TEMA 6: POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO Definición de potencial de membrana en reposo Todas las señales eléctricas se originan a partir de cambios breves en el potencial de membrana debidos a alteraciones en el flujo de corriente eléctrica que atraviesa la membrana celular. 21 Internal use  TEMA 6: POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO Contenido 1. Conceptos previos. Corriente y conductancia 2. Definición de potencial de membrana en reposo 3. Potencial de equilibrio - Ecuación de Nernst 4. Potencial de membrana en reposo en la neurona - Ecuación de Goldman, Hodgkin y Katz 5. Papel de la bomba Na+-K+ ATPasa 2 Internal use 2  TEMA 6: POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO Potencial de equilibrio La selectividad global de una membrana para los distintos iones viene determinada por la permeabilidad relativa de los distintos tipos de canales que contiene. La mayor parte de los tipos celulares presentan en su membrana canales pasivos sólo permeables al potasio. ¿Cuál será en este caso el valor de potencial de membrana en reposo? 23 Internal use  TEMA 6: CANALES IÓNICOS Potencial de Nernst El potencial de difusión a través de una membrana que se opone exactamente a la difusión neta de un ion se define como Potencial de Nernst (potencial de equilibrio). En esta situación de equilibrio, el trabajo osmótico W que se requiere para mover un ion a través de la membrana es el mismo que el trabajo eléctrico W´: W= RT ln iono ; W’= EionFz ioni Como en el potencial de equilibrio W= W’ Eion = RT ln ion]o 24 Fz ion]i Internal use  TEMA 6: POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO Ecuación de Nerst A una temperatura de 37º y sustituyendo el logaritmo neperiano por el logaritmo en base 10, la ecuación de Nernst puede expresarse: 61,5 Calcule el potencial de equilibrio para el K+, asumiendo que K+]o= 20 mM y  K+]i=400 mM. 25 * Datos de  para el axón gigante de calamar. Internal use  TEMA 6: POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO Contenido 1. Conceptos previos. Corriente y conductancia 2. Definición de potencial de membrana en reposo 3. Potencial de equilibrio - Ecuación de Nernst 4. Potencial de membrana en reposo en la neurona - Ecuación de Goldman, Hodgkin y Katz 5. Papel de la bomba Na+-K+ ATPasa 2 Internal use 6  TEMA 6: POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO Potencial de membrana en reposo de una neurona En la membrana de las neuronas existen canales pasivos permeables a diferentes especies iónicas. ✓¿En qué dirección se mueven el Na+ y el K+ a través de la membrana de la neurona? ✓¿Cómo se establece el valor de potencial de membrana en reposo de la neurona? 27 Internal use  TEMA 6: POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO Ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz El potencial de membrana en reposo puede calcularse mediante la ecuación de Goldman-Hodgkin-Katz, una fórmula matemática que tiene en cuenta, no solo las concentraciones iónicas, sino la permeabilidad relativa de la membrana a los diferentes iones. PK+K+]o + PNa+Na+]o + PCl-Cl -]i Vm = 61,54 mV log PK+K+]i + PNa+Na+]i + PCl-Cl -]o El ión más permeable → mayor contribución a Em En reposo: alta permeabilidad al K+ → Em  E K+ γ=g=1/R; cuanto más permeable sea la membrana a un ion, mayor será su conductancia. 28 Internal use  TEMA 6: POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO Potencial de membrana en reposo de una neurona La corriente I generada por el movimiento iónico a través de la membrana depende de la fuerza electromotriz (Vm–Eion) para ese ion y de la conductancia (g) del canal. La conductancia viene determinada por el número de canales iónicos en la membrana y por la cantidad de tiempo que cada canal está abierto. I = (Vm–Eion) x g 29 Internal use  TEMA 6: POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO Potencial de membrana en reposo de una neurona Los iones para los que la membrana es permeable «tiran» del potencial de membrana hacia su potencial de equilibrio, para ello, atraviesan la membrana a través de los canales abiertos y generan corrientes iónicas. La hipótesis clásica explica el potencial de membrana con dos corrientes de fuga independientes de voltaje, una de K+ y otra de Na+, y asume un comportamiento pasivo para el Cl-. Vm= -73 mV 30 Internal use  TEMA 6: POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO Contenido 1. Conceptos previos. Corriente y conductancia 2. Definición de potencial de membrana en reposo 3. Potencial de equilibrio - Ecuación de Nernst 4. Potencial de membrana en reposo en la neurona - Ecuación de Goldman, Hodgkin y Katz 5. Papel de la bomba Na+-K+ ATPasa 3 Internal use 1  TEMA 6: POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO Papel de la bomba Na+/K+ ATPasa Según su gradiente químico, el K+ sale y el Na+ entra Van disminuyendo los gradientes de concentración Para mantener el potencial En el interior de la célula, el de membrana de una célula, sodio (Na+) está menos el movimiento iónico ha de concentrado (12 mEq/L) que en ser mantenido de manera el exterior (142 mEq/L), mientras constante. La bomba Na+/K+ que ocurre al contrario con el se encarga de mantener los potasio (K+), habiendo menor gradientes iónicos. concentración fuera (4 mEq/L) que dentro (140 mEq/L). 32 Internal use  TEMA 6: POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO Puntos clave de la bomba Na+/K+ ATPasa La bomba Na+/K+ ATPasa adquiere una gran importancia, teniendo en cuenta que evita que la célula introduzca en su interior demasiados iones sodio. Esta mayor cantidad de sodio en el interior celular va condicionado con una mayor entrada de agua y, consecuentemente, un incremento del volumen celular que originaría turgencia y posterior lisis. Esta importancia es todavía mayor si se tienen en cuenta las células nerviosas, en las cuáles, el potencial de acción se caracteriza por el proceso inverso, esto es, la entrada del sodio y la salida del potasio. Están implicadas en la función renal. La reabsorción del sodio, del agua y de otras sustancias dependen directamente de las bombas Na+/K+ ATPasa, las cuales se encuentran en los segmentos tubulares de las nefronas del riñón. 33 Internal use ¿Qué problemas ocasiona el consumo excesivo de ouabaina o digoxina sobre las células excitables?  TEMA 6: POTENCIAL DE MEMBRANA EN REPOSO Bibliografía Berne RM, Levy MN. Fisiología. 6ª ed. Elsevier; 2009. Castro, J. A. L. (2005). Evolución del concepto de potencial de reposo neuronal: Aspectos básicos y clínicos. Revista de neurología, 41(9), 538-549. Ganong WF. Fisiología médica. 23ª ed. McGraw-Hill; 2011. Purves D. Neuroscience. 4ª ed. Sinauer Associates; 2008. Silverthorn DU. Fisiología Humana, un enfoque integrado. 8ª ed. Editorial Médica Panamericana; 2019. Internal use Internal use